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【原创】跟我学系列之四,反激电源及变压器的设计

  • 2010-08-12 00:02
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    反激,反激才是王道!

    说实话,开这个话题,我犹豫了很久。因为关于反激的话题论坛里讨论了很多很多,这个话题已经被讨论的非常透彻了。关于反激电源的参数设计也有多篇文章总结。还有热心的网友,根据计算过程,自己编写了软件或电子表格把计算做的傻瓜化。但我也注意到,几乎每天都会出现关于反激设计过程出现问题而求助的帖子,所以,思量再三,我决定还是再一次提出这个话题!

    我不知道我是否能写出一些有新意的东西,但我会尽力去写好。不期望能入高手的法眼,但愿能给入门者一些帮助。

    同是电子工程师,请一定不要吝啬你的赞!

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    LV.1

    2010-08-12 00:35

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    纵观电源市场,没有哪一个拓扑能像反激电路那么普及,可见反激电源在电源设计中具有不可替代的地位。说句不算夸张的话,把反激电源设计彻底搞透了,哪怕其他的拓扑一点不懂,在职场上找个月薪10K的工作也不是什么难事。
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  • 让你记得我的好

    LV.1

    2010-08-12 02:19

    @

    先列提纲

    1,反激电路是由buck-boost拓扑演变而来,先分析一下buck-boost电路的工作过程。

     

      

    工作时序说明:

    t0时刻,Q1开通,那么D1承受反向电压截止,电感电流在输入电压作用下线性上升。

    t1时刻,Q1关断,由于电感电流不能突变,所以,电感电流通过D1,向C1充电。并在C1两端电压作用下,电流下降。

    t2时刻,Q1开通,开始一个新的周期。

    从上面的波形图中,我们可以看到,在整个工作周期中,电感L1的电流都没有到零。所以,这个工作模式是电流连续的CCM模式,又叫做能量不完全转移模式。因为电感中的储能没有完全释放。

    从工作过程我们也可以知道,这个拓扑能量传递的方式是,在MOS管开通时,向电感中储存能量,MOS管关断时,电感向输出电容释放能量。MOS管不直接向负载传递能量。整个能量传递过程是先储存再释放的过程。整个电路的输出能力,取决于电感的储存能力。

    我们还要注意到,根据电流流动的方向,可以判断出,在输入输出共地的情况下,输出的电压是负电压。

    MOS管开通时,电感L1承受的是输入电压,MOS关断时,电感L1承受的是输出电压。那么,在稳态时,电路要保证电感不进入饱和,必定要保证电感承受的正向和反向的伏秒积的平衡。那么:

    Vin×(t1-t0)=Vout×(t2-t1),假如整个工作周期为T,占空比为D,那么就是:

    Vin×D=Vout×(1-D)

    那么输出电压和占空比的关系就是:Vout=Vin×D/(1-D)

    同时,我们注意看MOS管和二极管D1的电压应力,都是Vin+Vout

    另外,因为是CCM模式,所以从电流波形上可以看出来,二极管存在反向恢复问题。MOS开通时有电流尖峰。

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    LV.1

    2010-08-12 02:20

    @

    2,那么我们常说,反激flyback电路是从buck-boost电路演变而来,究竟是如何从buck-boost拓扑演变出反激flyback拓扑的呢?请看下面的图:

     

    这是基本的buck-boost拓扑结构。下面我们把MOS管和二极管的位置改变一下,都挪到下面来。变成如下的电路结构。这个电路和上面的电路是完全等效的。

     

    接下来,我们把这个电路,从A、B两点断开,然后在断开的地方接入一个变压器,得到下图:

     

    为什么变压器要接在这个地方?因为buck-boost电路中,电感上承受的双向伏秒积是相等的,不会导致变压器累积偏磁。我们注意到,变压器的初级和基本拓扑中的电感是并联关系,那么可以将变压器的励磁电感和这个电感合二为一。另外,把变压器次级输出调整一下,以适应阅读习惯。得到下图:

     

    这就是最典型的隔离flyback电路了。由于变压器的工作过程是先储存能量后释放,而不是仅仅担负传递能量的角色。故而这个变压器的本质是个耦合电感。采用这个耦合电感来传递能量,不仅可以实现输入与输出的隔离,同时也实现了电压的变换,而不是仅仅靠占空比来调节电压。

    由于此耦合电感并非理想器件,所以存在漏感,而实际线路中也会存在杂散电感。当MOS关断时,漏感和杂散电感中的能量会在MOS的漏极产生很高的电压尖峰,从而会导致器件的损坏。故而,我们必须对漏感能量进行处理,最常见的就是增加一个RCD吸收电路。用C来暂存漏感能量,用R来耗散之。

      

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  • 让你记得我的好

    LV.1

    2010-08-12 02:22

    @

    3,反激电源变压器参数设计

    从今天开始,我们一起来讨论一下反激电源变压器的设计。其实,反激电源的变压器设计方法有很多种。条条大路通罗马,我们究竟要选择哪条路呢?我的想法是,选择自己熟悉的路,选择自己能理解的设计方法。有的设计方法号称是最简单的,有的设计方法号称是最明了的。但我认为,适合你自己的才是最好的。更何况,有些设计方法,直接给个公式出来,没有头没有尾的,莫名其妙,就算按照那种方法计算出来你要的变压器,但你理解了吗?你从中学习到了什么?我想,授人以鱼,不如授人以渔,希望我们能够通过讨论反激变压器的设计过程,让大家不仅学会怎么计算反激变压器,更要能通过设计,配合上面的电路原理,把反激的原理搞透。岳飞不就曾说过:“阵而后战,兵法之常,运用之妙,存乎一心。” 一旦把原理搞清楚了,那么就不存在什么具体算法了。将来的运用之妙,就存乎一心了。可以根据具体的参数细化优化!

    其实,要设计一个变压器,就是求一个多元方程组的解。只不过呢,由于未知数的数量比方程数量多,那么只好人为的指定某些参数的数值。对于一个反激电源而言,需要有输入指标,输出指标。这些参数,有的是客户的要求,也是我们需要达到的设计目标,还有些参数是我们人为选择的。一般来说,我们需要这些参数:

    输入交流电压范围、输出电压、输出电流、效率、开关频率等参数。

    对于反激电源来说,其工作模式有很多种,什么DCM,CCM,CRM,BCM,QR等。这里要作一个说明:CRM和BCM是一种模式,就是磁芯中的能量刚好完全释放,次级整流二极管电流刚好过零的时候,初级侧MOS管开通,开始进行下一个周期。

    QR模式,则是磁芯能量释放完毕后,变压器初级电感和MOS结电容进行谐振,MOS结电容放电到最低值时,MOS开通,这样可以实现较低的开通损耗。也就是说,QR模式是的mos开通时间比CRM模式还要晚一点。

    CRM/BCM、QR模式都是变频控制,同时,他们都是属于DCM模式范畴内的。

    而CCM模式呢,CCM模式的电源其实也包含着DCM模式,当按照CCM模式设计的反激电源工作在轻载或者高输入电压的时候,就会进入DCM模式。

    那么就是说,CRM/BCM,QR模式的反激变压器的设计,可以按照某个特定工作点的时候的DCM模式来计算。那么我们下面的计算就只要考虑DCM与CCM两种情况了。

    那么我们究竟是选择DCM还是CCM模式呢?这个其实没有定论,DCM的优点是,反馈容易调,次级整流二极管没有反向恢复问题。缺点是,电流峰值大,RMS值高,线路的铜损和MOS的导通损耗比较大。而CCM的优缺点和DCM刚好反过来。特别是CCM的反馈,因为存在从DCM进入CCM过程,传递函数会发生突变,容易振荡。另外,CCM模式,如果电感电流斜率不够大,或者占空比太大,容易产生次谐波振荡,这时候需要加斜坡补偿。所以呢,究竟什么时候选择用什么模式,是没有结论的。只能是“运用之妙,存乎一心”了。随着项目经验的增加,对电路理解的深入,慢慢的,你就能有所认识。

    还有一个重要的参数,占空比,这个参数既可以人为指定,也可以通过其他数值的确定来限制。那我们先来看看,占空比受那些因素的影响呢?

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  • 让你记得我的好

    LV.1

    2010-08-12 02:22

    @

    4,我们知道,实际的变压器是存在漏感的。漏感在MOS关断时,会产生电压尖峰,如果不对这个尖峰作处理的话,可能会导致MOS被击穿而损坏。所以我们通常会在变压器的初级侧增加一个RCD吸收电路。见下图:

     

    下面的图是MOS关断后,DS间的电压波形。

     

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  • bode

    LV.1

    2010-08-12 08:45

    @让你记得我的好

    4,我们知道,实际的变压器是存在漏感的。漏感在MOS关断时,会产生电压尖峰,如果不对这个尖峰作处理的话,可能会导致MOS被击穿而损坏。所以我们通常会在变压器的初级侧增加一个RCD吸收电路。见下图:

     

    下面的图是MOS关断后,DS间的电压波形。

     

    哇塞,来晚了,哭~

    还好,是本贴第二个ID发言。

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  • roc19850

    LV.1

    2010-08-12 09:07

    @bode

    哇塞,来晚了,哭~

    还好,是本贴第二个ID发言。

    听课。。。。

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  • qinzutaim

    LV.1

    2010-08-12 09:31

    @让你记得我的好

    4,我们知道,实际的变压器是存在漏感的。漏感在MOS关断时,会产生电压尖峰,如果不对这个尖峰作处理的话,可能会导致MOS被击穿而损坏。所以我们通常会在变压器的初级侧增加一个RCD吸收电路。见下图:

     

    下面的图是MOS关断后,DS间的电压波形。

     

    有东西了,我来听课!

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  • 13551289398

    LV.1

    2010-08-12 09:48

    @qinzutaim

    有东西了,我来听课!

    续继前进吧

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  • hsym_101584

    LV.1

    2010-08-12 10:21

    @让你记得我的好

    4,我们知道,实际的变压器是存在漏感的。漏感在MOS关断时,会产生电压尖峰,如果不对这个尖峰作处理的话,可能会导致MOS被击穿而损坏。所以我们通常会在变压器的初级侧增加一个RCD吸收电路。见下图:

     

    下面的图是MOS关断后,DS间的电压波形。

     

    地板

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